JP4407818B2 - 小型直動型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は小型の直動型アクチュエータに関する。

近年、半導体製造技術等の進歩により、マイクロメーターオーダーの非常に微細な構造体の創造が可能になってきた。この加工技術の進歩に触発されて、いわゆるマイクロマシンの研究・開発が盛んに行われており、マイクロマシンの要素デバイスであるアクチュエータ部は特に大きな関心を集めている。

マイクロアクチュエータは運動方式から主として回転型と直動型に分類することができる。直動型は構造が比較的単純であることから、ほとんどの研究例は直動型アクチュエータに関するものである。また、駆動原理からは静電方式、圧電方式、電磁方式、形状記憶合金方式、光駆動方式、空気圧駆動方式等に分類できる。これらのうち、最も注目されているのは静電方式で、次いで圧電方式である。一方、上記方式の中で電磁方式のアクチュエータは原理的にも高効率・高出力が期待でき、従来のモーター技術における実績もあるため、本来は最も注目されるべきマイクロアクチュエータの一つと考えられる。しかし、電磁方式の直動型マイクロアクチュエータの研究例は実際にはほとんどない。主たる原因の一つは構造の複雑さに起因して小型化が困難なことであると考えられる。

構成部品のうち永久磁石に関しては、薄膜化あるいは小型化技術の進歩により、小型でも高性能を示す磁石材料が開発されている。更に、構成部品のひとつであるコイルに関しても、半導体微細加工技術を利用した微小電気機械システムの発展により微細なコイルが開発されている。

ところで、これまでに幅広く用いられているリニア駆動の電磁アクチュエータとしてボイスコイルモータが挙げられる。ボイスコイルモータによる駆動システムを組む場合、稼動部（ローター）が駆動方向以外に逸脱しないようにリニアガイドを設けるのが一般的である。リニアガイドはガイドレールとスライダとをベアリングを介して可動式に組み合わせたものである。スライダはローターを兼ねることができ、ボールベアリングを用いたものでは面寸法で３ｍｍ×６ｍｍ以上の大きさのスライダを備えたリニアガイドが現在市販されている。この場合、ガイドレールはスライダのサイズ、ストローク及び固定部（ステータ）への取り付け部のサイズを合計したものであり、サブミリの駆動が必要であっても、アクチュエータとしては１ｃｍ以上のサイズになってしまう。エアベアリングは四角柱あるいは円柱のガイドレールの中心軸に設けられた貫通孔に棒状のスライダが可動式に挿入されている。この方式ではガイドレールとスライダとの間にガタが出ないように棒状スライダの直径に対して十分長いガイドレールが必要となるので、アクチュエータのサイズは更に大きくなってしまう。

以上より、電磁方式の直動型アクチュエータの小型化が困難なのは、比較的サイズの大きいリニアガイドをアクチュエータ内に設けていることに起因しているといえる。
なお、本発明に関連する先行技術としては、下記のものが挙げられる。

脇若ら，日本応用磁気学会誌，ＶＯｌ．２４ Ｎｏ．４−２（２０００），ｐ．９５５−９５８． 脇若ら，第２５回日本応用磁気学会学術講演概要集（２００１），ｐ．３０２．

本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、リニアガイドを用いずに駆動方向にのみ弾性変形するマイクロビームでローターを揺動可能に支持するよう構成することで、構造が簡単で小型化が容易な直動型アクチュエータを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、本発明に到達したもので、本発明は下記の直動型アクチュエータを提供する。
請求項１：幅×長さが１ｍｍ×１ｍｍ〜１０ｍｍ×１０ｍｍ、高さが０．１ｍｍ〜５ｍｍである小型の直動型アクチュエータであって、ステータ部と、このステータ部に一端が固定され、かつ他端側に曲げ加工によって成形された金属性マイクロビームによって揺動可能に支持されたローター部が設けられた部品とを備え、
該部品が、ステータ固定部とマイクロビームとローター部とを備えると共に、プレス加工又はエッチング加工により打ち抜いて形成され、かつステータ固定部とローター部とが両側端部においてそれぞれ長片によって橋かけ、連結された基体を用い、前記長片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部にローター部を重ねるようにし、次いで、折曲された長片のうち、ローター部、連結側片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部の先端縁とローター部の基端縁が互いに近接するようにし、更に、長片をそれらの両側縁に沿って直角に谷折りすることによって形成されてなり、
１対のマイクロビームが、ステータ固定部側よりローター部側に伸び、一旦折れ曲がってステータ固定部側に戻り、更に折れ曲がってローター部側に伸びたところでローター部を支持するように形成されると共に、ステータ部の両側に一対に配置されてローター部を支持し、両側のマイクロビームにはさまれた平面に平行でマイクロビームの長手方向に垂直な駆動方向に対してステータ部とローター部との間に発生した駆動力で十分に変位し、その他の方向には高い剛性を有するように構成されており、
ステータ部に永久磁石、ローター部にコイルを、又はステータ部にコイル、ローター部に永久磁石を配置して、永久磁石の形成する磁界中でコイルに電流を流すことによりマイクロビームに変位を発生させ、ローター部を揺動させるように構成したことを特徴とする直動型アクチュエータ。
請求項２：幅×長さが１ｍｍ×１ｍｍ〜１０ｍｍ×１０ｍｍ、高さが０．１ｍｍ〜５ｍｍである小型のアクチュエータであって、ステータ固定部とマイクロビームとコイル又は永久磁石が配置されたローター部とを有する部品と、永久磁石又はコイルが配置されたステータ部とを備え、
前記永久磁石とコイルとは永久磁石及びステータ部を含む磁気回路内で僅かなギャップを保ちながら対向するように配置され、
該部品が、プレス加工又はエッチング加工により打ち抜いて形成され、かつステータ固定部とローター部とが両側端部においてそれぞれ長片によって橋かけ、連結された基体を用い、前記長片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部にローター部を重ねるようにし、次いで、折曲された長片のうち、ローター部、連結側片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部の先端縁とローター部の基端縁が互いに近接するようにし、更に、長片をそれらの両側縁に沿って直角に谷折りすることによって形成されてなり、
１対のマイクロビームが、ステータ固定部側よりローター部側に伸び、一旦折れ曲がってステータ固定部側に戻り、更に折れ曲がってローター部側に伸びたところでローター部を支持するように形成されると共に、ステータ部の両側に一対に配置されてローター部を支持し、両側のマイクロビームにはさまれた平面に平行でマイクロビームの長手方向に垂直な駆動方向に対してステータ部とローター部との間に発生した駆動力で十分に変位し、その他の方向には高い剛性を有するように構成されており、
永久磁石の作る磁界の中に置かれたコイルに通電することで、ローレンツ力により左右方向にローター部が揺動することを特徴とする直動型アクチュエータ。
請求項３：前記マイクロビームは、ステータ固定部及びローター部と一体であり、０．０２５〜０．５ｍｍの金属板を打ち抜き及び曲げ加工により作製されることを特徴とする請求項１又は２記載の直動型アクチュエータ。
請求項４：前記ステータ部が強磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の直動型アクチュエータ。
請求項５：前記ローター部が強磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の直動型アクチュエータ。
請求項６：磁気回路を形成させるために、前記ローター部を挟んで前記ステータ部と対向する位置に補助ヨークが取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の直動型アクチュエータ。

本発明によると、高効率・高出力が特徴である電磁方式を用いて、簡単な構造で小型化の容易な直動型アクチュエータを提供できる。

発明を実施するための最良の形態及び実施例

以下、本発明の直動型アクチュエータの具体的態様について詳述する。
図１及び図２は、本発明の直動型アクチュエータ２の一例を示す平面図及び分解斜視図である。なお、簡単のためにコイル４への電力供給線は図示していない。このアクチュエータ２は、ステータ固定部６、マイクロビーム８，１０及びローター部１２を構成する部品１４を備える。この部品１４のローター部１２にはコイル４が取り付けられ、ステータ部１６には永久磁石１８が配置される。ステータ部１６は磁気回路を形成するために強磁性体を用いることが好ましい。磁気回路の効率を上げるために強磁性体からなる補助ヨーク２０を部品１４に取り付けてもよい。ステータ固定部６、マイクロビーム８，１０及びローター部１２を構成する部品１４、ステータ部１６、補助ヨーク２０は接着あるいは溶接等の一般的な方法でこのアクチュエータを備える装置（図示されていない）に固定される。更にローター部１２にはコイル４の他に揺動させる対象物（図示されていない）が適当な手法により取り付けられる。

更に詳しくは、ステータ固定部６、マイクロビーム８，１０及びローター部１２を構成する部品１４において、マイクロビーム８，１０はステータ固定部６の両側縁に一体に連設され、後述する図４の説明のように、これら両側縁に沿ってステータ部１６側に向けて直角に折り返され、かつ固定部６両側縁先端部より先方に向けて延出する長片８ａ，１０ａを内方に１８０°屈曲（第１の屈曲）し、更に固定部６両側縁先端部より先側で内方に１８０°屈曲（第１の屈曲と逆方向の第２の屈曲）し、その先端部において、連設部８ｂ，１０ｂを介してローター部１２が一体に連設された構成を有する。

本発明の一実施例に係る直動型アクチュエータ２は、永久磁石１８、ステータ部１６及び補助ヨーク２０からなる磁気回路内で、永久磁石１８とローター部１２に固定されたコイル４とを僅かなギャップを保ちながら対向するように配置している。図３に示されたように、永久磁石１８は対向するコイル４の面に垂直な方向に着磁され、図１におけるＹの方向から見て左右に２極に着磁されている。その代わりとして単極着磁された永久磁石２つを並べてもよい。永久磁石１８は、磁極面の面積で０．４〜１０ｍｍ²、着磁方向の厚さで０．１〜１ｍｍの大きさを有している。永久磁石１８の発生する磁力は本発明の直動型アクチュエータ２の駆動力に大きく影響する。上記寸法で充分な磁力を得るためにはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石等の強力希土類磁石を用いることが好ましい。

ステータ部１６及び補助ヨーク２０は鋼などの強磁性体からなり、０．０５〜０．２５ｍｍの厚さを有している。永久磁石１８は例えばエポキシ系の接着材あるいはハンダ、溶接等でステータ部１６に固定される。

コイル４には、銅線あるいはプリント配線板を用いる。コイル４は、その中心部において対向する永久磁石１８の磁極面に垂直な磁界を発生するように巻かれる。プリント配線板の場合は必要な磁力、即ち駆動力に応じて多層配線板を用いてもよい。コイル４のローター部１２への固定には、例えばエポキシ系の接着材などを用いる。コイル４への電力供給線（図示していない）は、直動型アクチュエータの揺動を妨げないよう若干のたわみを持たせた状態でステータ固定部６等に固定する。

ステータ固定部６、マイクロビーム８，１０及びローター部１２を構成する部品１４は鋼系のバネ材からなり、０．０２５〜０．５ｍｍ程度の厚さを有することが好ましく、より好ましくは０．０２５〜０．３ｍｍ程度の厚さを有する。磁気回路１６，１８，２０及びコイル４の発生する磁界を乱さない目的で非強磁性の鋼を用いることが好ましい。

図２に最もよく示されているように、１対のマイクロビーム８，１０はステータ固定部６側よりローター部１２側に伸び、一旦折れ曲がってステータ固定部６側に戻り、更に折れ曲がってローター部１２側に伸びたところでローター部１２を支持している。この構造は片側に３本の梁を配置することと同等の効果があり、１本の場合と比較して、直動型アクチュエータの駆動方向への弾性を高めながら、上下方向などに対しては高い剛性を維持できる。

図３に示されているように、本発明の直動型アクチュエータ２の駆動部は、一般的なボイスコイルモータと基本構造は同じである。永久磁石１８の作る磁界の中に置かれたコイル４に通電することで、ローレンツ力により矢印Ｘの方向にローター部１２が揺動する。

マイクロビーム８，１０は、薄板をプレス加工あるいはエッチング加工により打ち抜いたあと、曲げ加工を施すことで作製される。その際の加工変形の様子は図４に例示されたようになる。まず、プレス加工あるいはエッチング加工により打ち抜いた後のステータ固定部６、マイクロビーム８，１０及びローター部１２を構成する部品１４は、図４（ａ）のようなステータ固定部６とローター部１２とが両側端部においてそれぞれ長片８ａ，１０ａによって橋かけ、連結された基体１４’を用い、その長片８ａ，１０ａの線Ａで示す中間部をそれぞれ矢印Ｂに示すように約１８０°谷折りし、図４（ｂ）に示すようにステータ固定部６にローター部１２を重ねるようにする。次いで、このように折曲された長片８ａ，１０ａのうち、ローター部１２、連結側片８ａ’，１０ａ’の線Ｃを示す中間部をそれぞれ矢印Ｄに示すように約１８０°谷折りし、ステータ固定部６の先端縁とローター部１２の基端縁が互いに近接するようにする［図４（ｃ）］。更に、長片８ａ，１０ａを矢印Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈのように直角に谷折りすることによって、ステータ固定部６、マイクロビーム８，１０及びローター部１２を構成する部品１４を形成するものである［図４（ｄ）］。

なお、曲げの順番はこれに限られるものではない。また、一連の加工を精度よく行うために、曲げ部に予め曲げ線を設けておいてもよい。

ステータ部１６及び補助ヨーク２０に関しても薄板をプレス加工あるいはエッチング加工により打ち抜いたあと、曲げ加工を施すことで作製される。

図５を参照すると、本発明の第２実施形態の分解斜視図が示されている。本実施形態は、ステータ部２２にコイル２４を、ローター部２６に永久磁石２８を配したものであり、電力供給配線が必要であるコイル２４を揺動しないステータ部２２に置くことで、配線を簡素化できる。本実施形態の場合、ステータ固定部３０、マイクロビーム３２，３４及びローター部２６を構成する部品３６に強磁性体を用いることで磁気回路の効率は高くなる。別の方法として、永久磁石２８とローター部２６の間に強磁性体を用いた平板型ヨーク（図示していない）を設けてもよい。更に好ましくは、ステータ部２２、コイル２４及び永久磁石２８を囲むかたちでローター部２６に補助ヨーク３８を取り付ける。

図６及び図７に本発明のアクチュエータの応用例として電磁式マニピュレータ４０の斜視図及び分解斜視図をそれぞれ示す。この電磁式マニピュレータ４０は２本のハンド４２，４４と直動型アクチュエータからなる。一方のハンド４２はステータ固定部６に固定される。もう一方のハンド４４はローター部１２に固定されており、こちらのハンドのみが動くことで０．２ｍｍ以下の物体を把持できる。この例におけるマニピュレータ４０のサイズは長さ１３ｍｍ、幅６ｍｍ、高さ１ｍｍであり、従来報告されている圧電方式及び光駆動方式のマニピュレータ（例えば長さ４５ｍｍ、幅３２ｍｍ、高さ１０ｍｍ）等と比較して、数分の１の大きさである。

本発明の第１実施形態の直動型アクチュエータの平面図である。 本発明の第１実施形態の直動型アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態のステータ・ローター部付近の断面図である。 本発明の第１実施形態のステータ固定部、マイクロビーム及びローター部を構成する部品の加工変形例を示す斜視図であり、（ａ）は薄板をプレス加工あるいはエッチング加工により打ち抜いた状態、（ｂ）は（ａ）をＢ方向に曲げた状態、（ｃ）は（ｂ）をＤ方向に曲げた状態、（ｄ）は（ｃ）をＥ〜Ｈ方向に折り曲げた状態の図である。 本発明の第２実施形態の直動型アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の直動型アクチュエータを用いたマニピュレータの斜視図である。 本発明の直動型アクチュエータを用いたマニピュレータの分解斜視図である。

符号の説明

２ 直動型アクチュエータ
４ コイル
６ ステータ固定部
８，１０ マイクロビーム
１２ ローター部
１４ ステータ固定部、マイクロビーム及びローター部を構成する部品
１６ ステータ部
１８ 永久磁石
２０ 補助ヨーク
２２ ステータ部
２４ コイル
２６ ローター部
２８ 永久磁石
３０ ステータ固定部
３２，３４ マイクロビーム
３６ ステータ固定部、マイクロビーム及びローター部を構成する部品
３８ 補助ヨーク
４０ 電磁式マニピュレータ
４２ ハンド（固定）
４４ ハンド（可動）
４６ 補助ヨーク

Claims (6)

1. 幅×長さが１ｍｍ×１ｍｍ〜１０ｍｍ×１０ｍｍ、高さが０．１ｍｍ〜５ｍｍである小型の直動型アクチュエータであって、ステータ部と、このステータ部に一端が固定され、かつ他端側に曲げ加工によって成形された金属性マイクロビームによって揺動可能に支持されたローター部が設けられた部品とを備え、
   該部品が、ステータ固定部とマイクロビームとローター部とを備えると共に、プレス加工又はエッチング加工により打ち抜いて形成され、かつステータ固定部とローター部とが両側端部においてそれぞれ長片によって橋かけ、連結された基体を用い、前記長片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部にローター部を重ねるようにし、次いで、折曲された長片のうち、ローター部、連結側片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部の先端縁とローター部の基端縁が互いに近接するようにし、更に、長片をそれらの両側縁に沿って直角に谷折りすることによって形成されてなり、
   １対のマイクロビームが、ステータ固定部側よりローター部側に伸び、一旦折れ曲がってステータ固定部側に戻り、更に折れ曲がってローター部側に伸びたところでローター部を支持するように形成されると共に、ステータ部の両側に一対に配置されてローター部を支持し、両側のマイクロビームにはさまれた平面に平行でマイクロビームの長手方向に垂直な駆動方向に対してステータ部とローター部との間に発生した駆動力で十分に変位し、その他の方向には高い剛性を有するように構成されており、
   ステータ部に永久磁石、ローター部にコイルを、又はステータ部にコイル、ローター部に永久磁石を配置して、永久磁石の形成する磁界中でコイルに電流を流すことによりマイクロビームに変位を発生させ、ローター部を揺動させるように構成したことを特徴とする直動型アクチュエータ。
2. 幅×長さが１ｍｍ×１ｍｍ〜１０ｍｍ×１０ｍｍ、高さが０．１ｍｍ〜５ｍｍである小型のアクチュエータであって、ステータ固定部とマイクロビームとコイル又は永久磁石が配置されたローター部とを有する部品と、永久磁石又はコイルが配置されたステータ部とを備え、
   前記永久磁石とコイルとは永久磁石及びステータ部を含む磁気回路内で僅かなギャップを保ちながら対向するように配置され、
   該部品が、プレス加工又はエッチング加工により打ち抜いて形成され、かつステータ固定部とローター部とが両側端部においてそれぞれ長片によって橋かけ、連結された基体を用い、前記長片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部にローター部を重ねるようにし、次いで、折曲された長片のうち、ローター部、連結側片の中間部をそれぞれ１８０°谷折りし、ステータ固定部の先端縁とローター部の基端縁が互いに近接するようにし、更に、長片をそれらの両側縁に沿って直角に谷折りすることによって形成されてなり、
   １対のマイクロビームが、ステータ固定部側よりローター部側に伸び、一旦折れ曲がってステータ固定部側に戻り、更に折れ曲がってローター部側に伸びたところでローター部を支持するように形成されると共に、ステータ部の両側に一対に配置されてローター部を支持し、両側のマイクロビームにはさまれた平面に平行でマイクロビームの長手方向に垂直な駆動方向に対してステータ部とローター部との間に発生した駆動力で十分に変位し、その他の方向には高い剛性を有するように構成されており、
   永久磁石の作る磁界の中に置かれたコイルに通電することで、ローレンツ力により左右方向にローター部が揺動することを特徴とする直動型アクチュエータ。
3. 前記マイクロビームは、ステータ固定部及びローター部と一体であり、０．０２５〜０．５ｍｍの金属板を打ち抜き及び曲げ加工により作製されることを特徴とする請求項１又は２記載の直動型アクチュエータ。
4. 前記ステータ部が強磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の直動型アクチュエータ。
5. 前記ローター部が強磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の直動型アクチュエータ。
6. 磁気回路を形成させるために、前記ローター部を挟んで前記ステータ部と対向する位置に補助ヨークが取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の直動型アクチュエータ。

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